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Influence de la projection des fonctions BCS sur les transitions M1 et E2 dans les terres rares

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(1)

HAL Id: jpa-00208274

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Submitted on 1 Jan 1975

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Influence de la projection des fonctions BCS sur les transitions M1 et E2 dans les terres rares

M. Fellah, T.F. Hammann

To cite this version:

M. Fellah, T.F. Hammann. Influence de la projection des fonctions BCS sur les transi- tions M1 et E2 dans les terres rares. Journal de Physique, 1975, 36 (6), pp.461-470.

�10.1051/jphys:01975003606046100�. �jpa-00208274�

(2)

461

INFLUENCE DE LA PROJECTION DES FONCTIONS BCS

SUR LES TRANSITIONS M1 ET E2 DANS LES TERRES RARES

M. FELLAH et T. F. HAMMANN Institut d’Etudes

Nucléaires, Alger, Algérie

(Reçu

le 16 décembre

1974, accepté

le 20

février 1975)

Résumé. 2014 Les probabilités de transitions E2 et M1 dans

plusieurs

noyaux de la région des terres

rares, ont été calculées avec les fonctions BCS habituelles et avec les fonctions BCS

projetées

sur les

états propres de

l’opérateur

nombre de particules. Il a été tenu compte systématiquement et exacte-

ment de l’effet de

bloquage.

Le couplage de Coriolis a été traité par une méthode

perturbative.

Les

effets des vibrations 03B2 et 03B3 ont été approximativement pris en considération. Il s’avère que les erreurs dues à la non-conservation stricte du nombre de nucléons, si elles ne sont pas toujours

négligeables,

sont

cependant

moins

importantes

en moyenne que les effets de Coriolis.

Abstract. 2014 E2 and M1 transition

probabilities

for odd-mass rare earth nuclei, have been cal- culated

using

both the usual BCS wave functions and the strict particle

conserving,

projected BCS

functions. The

blocking

effect has been exactly and systematically taken into account. The influence of the Coriolis interaction has been studied

using

the first order

perturbation theory.

Allowance has been made for

the 03B2 and 03B3

vibrations. The

unphysical

effects, due to

particle

fluctuation in the BCS

theory, are not always

negligible,

but are in most cases, less important than the Coriolis effect.

LE JOURNAL ’DE PHYSIQUE TOME 36, JUIN 1975,

Classification

Physics Abstracts

4.470 - 4.220 - 3.350

Introduction. - Les méthodes de Hartree-Fock et les formalismes

particule-trou

tels que

l’approxima-

tion de Tamm-Dancoff ou la RPA ont

permis

d’ex-

pliquer

un

grand

nombre de

propriétés

des noyaux

légers

ou des noyaux lourds

n’ayant qu’un petit

nombre

de nucléons hors des couches

pleines.

Pour les autres

noyaux

cependant

ces méthodes ne sont

plus appli-

cables. Devant

l’impossibilité

matérielle

d’expliquer

leurs structures et

propriétés

à

partir

des interactions nucléon-nucléon

réalistes,

deux formalismes essen-

tiellement ont été

utilisés,

tenant compte

schématique-

ment du caractère

d’appariement

des forces

nucléaires : le formalisme de

Hartree-Fock-Bogo- lyubov (HFB)

et le formalisme BCS. Dans les deux cas, la non-conservation stricte du nombre de nucléons entraîne un certain nombre d’effets non

physiques

tels

que l’existence d’une valeur

critique

de la force de

pairing

en dessous de

laquelle

n’existe que la solution triviale des

équations

BCS

[1] ;

et l’inversion du spectre

d’énergie

dans des calculs de type HFB avec

projection

sur les états propres du moment

cinétique [2].

Si la fluctuation du nombre de

particules

entraîne

des

conséquences

fâcheuses pour les

énergies [2, 3],

ceci est vrai a

fortiori

pour des

phénomènes qui

tels

les transitions

électromagnétiques

ou

bêta, dépendent

d’une

façon

très sensible des fonctions d’onde. Ce pro- blème a été très peu étudié

jusqu’à présent.

Miranda et Preston

[4]

ont étudié une demi-douzaine

de transitions M4 dans les

isotopes

du

plomb

et une

vingtaine

de

désintégrations bêta

dans les terres rares, avec les fonctions

génératrices

de

Bayman [5].

Utili-

sant les mêmes fonctions

projetées, Monsonégo

et

Piepenbring [6]

ont étudié une douzaine de transi- tions El entre un état excité et l’état fondamental d’une dizaine de terres rares.

La méthode de

projection

utilisée ne semble pas être la

plus puissante

et l’interaction de

Coriolis, négligée

dans les deux

articles,

peut modifier l’ensemble des résultats.

A notre

connaissance,

le seul calcul de transi- tions E2

impliquant

une

projection

sur les états

propres de

l’opérateur

nombre de

particules,

est celui

de la référence

[7].

D’une part le nombre relativement faible

(une

demi-

douzaine)

de transitions étudiées ne permet pas de conclure quant à l’influence des effets non

physiques

de la

dispersion

du nombre de

particules,

d’autre

part

ce calcul ne concerne que des noyaux

légers

de type 4 n

(2°Ne

et

28Si)

l’effet de

pairing

est de toute

façon négligeable.

Enfin les

approximations

utilisées

pour réaliser la

projection,

ne semblent

plus

valables

pour les noyaux de la

région

des terres rares

qui

nous

intéressent.

Nous nous proposons, dans le

présent travail,

d’étudier les effets non

physiques

dus à la fluctuation du nombre de nucléons dans la théorie

BCS,

sur les tran-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01975003606046100

(3)

sitions E2 et M1 des noyaux de la

région

des terres

rares, en tenant compte de l’interaction de

Coriolis,

de l’effet de

bloquage

et des effets vibrationnels du noyau.

Dans la section suivante nous donnons les fonctions d’onde

projetées

pour des noyaux de masse

impaire

et calculons les facteurs de réduction

correspondants.

La

description

du

champ nucléaire,

le calcul des

probabilités

de transitions avec les fonctions d’onde

projetées

et la discussion des résultats obtenus se trouvent en section 2.

1.

Fonctions d’onde projetées. -

Dans la théorie BCS usuelle les noyaux de masse

impaire

sont décrits

par des kets du

type

où les

amplitudes

de

probabilité d’occupation

ou

d’inoccupation Vv

et u, de

l’état 1 v >

par une

paire

de

particules,

sont déterminées de manière à conserver en

moyenne le nombre de nucléons du noyau. Evidem- ment, le fait que le ket

(1)

ne soit pas ket propre de

l’opérateur

nombre de

particules,

se

répercutera

sous forme d’effets fantômes dans les

probabilités

de

transitions y

ou

p.

Selon les conventions

habituelles,

nous

désignons

par aÿ

et av les

opérateurs

de création et d’annihilation d’une

particule

dans

l’état v ).

Les

états v ) et 1 v )

sont

conjugués

par rapport au renversement du sens

du temps. Le vrai vide de

particules

est défini par

. Il a été démontré

[3, 8]

que la suite

d’états,

corres-

pondant

à P

paires

de

particules :

converge vers l’état BCS

projeté [9], 1 PBCS >

ou vers

l’état 1 FBCS > [10, 11]

selon que les

paramètres

varia-

tionnels u,

et v,

sont déterminés avant ou

après projec-

tion.

Le calcul des

intégrales

de type Fowler-Darwin

qui

interviennent dans le calcul des éléments de matrice

avec fonctions d’onde

projetées,

n’est pas un

problème

trivial

[1, 9-11]. Moyennant

de laborieux calculs une

solution exacte

peut

être obtenue

[10, 11],

le

plus

sou-

vent

cependant,

on se contente d’une solution appro- chée

[5, 12].

Face à ces difficultés les avantages de la sommation discrète de

l’éq. (2)

sont évidentes. Dans la

pratique

la convergence est atteinte pour n voisin de 2 ou 3

[3, 8, 13]. La rapidité

de cette convergence

s’explique

par le fait que le ket

(2)

ne contient que des composantes

correspondant

à P +

2 1(n

+

1) paires (1

est un entier

quelconque) [3, 8, 13].

Pour des raisons d’économie de temps machine nous effectuons dans tout ce

qui

suit la

projection après

la variation

(appro-

ximation

PBCS)

mais pour

distinguer

notre méthode

de

projection

par sommation discrète des méthodes habituelles par

intégration,

nous la

repérons

par l’abréviation SBCS.

Lorsque

le

système

a 2 P + 1

particules

toutes

appariées

sauf celle de

l’état 1 Jlo), il

a pour

énergie

Ello = E:Ocs - G L

A VII

U2(,Ào) V2(po) (3)

v * Il( * 110)

E:OcS

est

l’énergie

BCS évaluée avec les kets de

l’éq. (1),

et les fonctions A VilS’ écrivent:

avec

Dans ces

équations,

Q

représente

la

dégénérescence

totale de

paires.

(4)

463

Les

intégrales

de recouvrement des fonctions

SBCS, qui

interviennent dans les calculs des éléments de matrice des

opérateurs

à un corps, s’écrivent tout calcul fait :

T est

pair

ou

impair

selon que

l’opérateur

à un corps est

pair

ou

impair

par renversement du sens du temps, c’est-à-dire de

type électrique (tiBCS(n»)

ou

magné- tique (rsBcs(n)).

Les facteurs de réduction

correspondants

sont notés

2. Probabilités de transitions E2 et Ml. - 2.1 LE CHAMP NUCLÉAIRE. - Dans le modèle unifié de

Bohr-Mottelson,

l’hamiltonien

décrivant un noyau déformé à

symétrie

axiale

comprend

un terme collectif

Hcoll

décrivant les mou-

vements collectifs de rotation et de vibration du coeur, un terme

intrinsèque H;nt

décrivant le

champ

nucléaire déformé moyen, et un terme H’ décrivant les interactions entre les trois modes de mouvements :

intrinsèque,rotationnel

et vibrationnel

[14-16].

Nous admettrons que le

champ

moyen est décrit par l’Hamiltonien de Nilsson

[13-16].

Les distances radiales sont

exprimées

en

[n/mwgX]1/2

et n

indique

la nature de la

particule,

neutron

(n)

ou proton

(p).

Les

énergies

des orbitales d’une même couche N ont été renormalisées par la

quantité x’ p’ hml’ ( 12 )N

=

2 L X" jun hcoo’ 0 N(N

+

3)

pour tenir compte de la conservation de la distance des centres de

gravité

des couches successives. Les para- mètres

x’

et

J1x dépendent

linéairement de la masse

atomique

des noyaux, et les

énergies Fi wgx

et la cons-

tante

d’appariement

G

dépendent

de

l’iso-spin

selon

les

prescriptions

des références

[13]

et

[17].

En

désignant par 1 vK >

les kets propres de

H;nt

et

par

Eÿ K

les

énergies

propres

correspondantes,

les kets

propres normalisés de

Hint

+

H,,.,,

peuvent s’écrire :

où Il K -

Q

1,

n2

non

est le ket état décrivant les

vibrations fi

et y.

La

symétrie

axiale entraîne

que K

= Q. Nous sup- poserons aussi que le noyau se trouve dans l’état vibra- tionnel

fondamental,

soit que n2 = no = 0.

Les valeurs propres

correspondant

aux kets de

l’éq. (8),

notés

dorénavant l, KM ; vu

sont

où a est le

paramètre

de

découplage dépendant

du ket

intrinsèque j 1 vK >

et

Ep

et

EY

sont les

énergies

des

vibrations

et y.

L’interaction H’ n’étant pas

diagonale

dans la base des états

(8),

nous écrivons le ket état décrivant le noyau comme une combinaison linéaire de ces

états, soit,

ce

qui

a pour

conséquence que K

n’est

plus

un bon

nombre

quantique.

Nous admettrons

cependant que K

reste

approximativement

une constante du mouve-

ment et traiterons H’ comme un terme

perturbatif;

cette

approximation

est certainement valable tant que le moment

cinétique

n’est pas trop

grand.

Les

états

propres 1 IK>

de l’hamiltonien

(6)

sont alors

avec

Il est manifeste que les

coefficients Kv 1 IK >

dépendent

du choix de l’hamiltonien

Hin,

donc des

valeurs propres

EvK

et kets

propres 1 vK >.

Plus

précisément

en

désignant

par

les éléments de matrice de H’ calculés avec les kets

(8)

(5)

les vK )

sont les kets propres de

Nilsson,

nous

avons

[16],

Dans cette

équation r(v, K’, K)

est

l’intégrale

de

recouvrement des fonctions d’onde

intrinsèques

décri-

vant les états initial et

final ;

elle vaut 1

si 1 vK >

est un

état de

Nilsson, r â si 1 vK >

est un état BCS et

rsbcs

si

vK >

est la composante de BCS

correspondant

à un

nombre déterminé de

particules. (L’exposant

M de

l’intégrale

de recouvrement

indique

que

HRpc

est

impair

par rapport au renversement du sens du

temps.)

2.2 PROBABILITÉS DE TRANSITIONS E2. - Si

E,

est

l’énergie

de

transition,

la

probabilité

de transi-

tion

quadrupolaire P(E2)

est :

Après

avoir

exprimé l’opéxateur

de transition

quadru- polaire

dans le

système intrinsèque

lié au noyau et

séparé

les

parties intrinsèque

et

collective,

la

probabi-

lité de transition réduite

devient,

en fonction des kets des

éq. (11) :

:

Dans

l’éq. (14),

Z est le nombre de protons du coeur,

Ro

=

1,2

x A 1/3 fm et

Po

est lié aux déformations ô et il de Nilsson par

Dans

l’éq. (15) E(2, p)

est

l’opérateur

de transition

quadrupolaire intrinsèque ;

ses éléments de matrice sont donnés

par :

L’élément de

matrice

v’

K’ 1 E(2, p) 1 vK > dépend

du choix des fonctions d’onde

intrinsèques

des états

initial et final. Si on

désigne par

v’

K’ 1 E(2, Jl) vK >N

cet élément de matrice calculé avec les fonctions d’onde de

Nilsson,

alors les éléments de matrice calculés avec les fonctions d’onde BCS et SBCS sont donnés

respective-

ment par

l’intégrale

de recouvrement

correspondant

à des

opérateurs

à un corps invariant par renversement du sens du temps

(transitions

de type

électrique).

(6)

465

2. 3 PROBABILITÉS DE TRANSITIONS M 1. - La pro- babilité de transition

dipolaire magnétique

n’a pas de composante collective. La

probabilité

de

transition réduite

intrinsèque B(M 1)

est donnée par

une relation semblable à

l’éq. (15) (prise

au

carré).

Les éléments de matrice de

l’opérateur U(1, J1) exprimé

dans le référentiel lié au noyau sont donnés par une

équation

similaire à

l’éq. (16).

Les différents types d’éléments de matrice

intrinsèque considérés,

sont liés par les relations :

les

amplitudes

de réduction étant maintenant de type

magnétique.

Lorsque

la transition s’effectue entre états d’une même bande

rotationnelle,

la

probabilité

de transition

se

simplifie

en :

où gK

et 9R sont les rapports

gyromagnétiques

orbital

et collectif

respectivement [15] :

Pour le nucléon célibataire nous avons

adopté

gK =

0,

gs = -

3,83

s’il est un neutron et gK =

5,59,

gs =

1,0

s’il est un proton.

2.4 RÉSULTATS

NUMÉRIQUES.

DISCUSSION. - 2.4.1

Convergence.

- La

rapide

convergence des suites de fonctions SBCS est bien

comprise théoriquement [3].

Le tableau 1 illustre le

comportement,. des

recouvre-

ments des fonctions d’onde

projetées

dans

l’espace

« nombre

d’occupation

», pour n variant de 0 à 7.

Les deux

symétries possibles

par renversement du sens

du temps ont été

envisagées

pour des transitions de type neutron ou de type proton. On remarquera

l’importance

de la

projection,

et la

rapidité

de la

convergence des suites

r(n)EfM

en fonction de n. Les

figures

1 et 2 montrent l’évolution des

amplitudes

de

réduction en fonction du

paramètre

de déformation et du

paramètre

de la force de

pairing

pour une transi- tion proton dans

l’europium

et une transition neutron dans le

dysprosium respectivement.

Les différences considérables

qui

existent sauf pour certaines déforma- tions

isolées,

entre rbcs et RSBCS montrent à l’évidence la nécessité de l’élimination des composantes non

phy- siques

dans les fonctions d’onde BCS. Ces différences sont

particulièrement importantes

pour les

intégrales

de recouvrement de type

magnétique, où,

contraire-

ment à

rMBcs,

le facteur

projeté rsmbcs

peut

s’éloigner

notablement de l’unité.

2.4.2 Transitions E2. - Nous avons calculé les

probabilités

de transitions de

plusieurs

transitions

quadrupolaires électriques

dans des noyaux de masse

impaire

de la

région

des terres rares. Le tableau II

indique

les états entre

lesquels

la transition a

lieu,

dans la notation

asymptotique

usuelle

IK1t(Nnz A),

la valeur du

paramètre

de déformation b utilisée et

l’énergie

de la transition

(en keV).

En ne considérant que la

partie intrinsèque

de

l’opérateur quadrupolaire

E

2,

toutes les demi-vies

théoriques calculées

avec les

TABLEAU 1

Evolution des

intégrales

de recouvrement de types

électrique

et

magnétique

en

fonction

du

degré

n d’extraction des composantes non

physiques

des

fonctions

BCS

(7)

e

§

! w

0

’N .

°°ù §fi

-,

m ._

o

v

n4à

U #

,v w v

s

GQ S B

t o

cs X )

!i:!

m Q

o

jj

w

%fl £

?va

z #

. x

,c ,ô

# , J3

N

M

j

J

(8)

467

fonctions d’onde de Nilsson pures

(TN),

les fonctions

BCS

(TBcs) et

les fonctions

projetées (TSBCS),

sont fort

éloignées

des valeurs

expérimentales Texp,

ce

qui souligne

le rôle

important joué

par la

partie

collective.

Lorsque

l’interaction de Coriolis est

prise

en considé-

ration

(colonne

suivante du tableau

II),

les trois

modèles donnent des demi-durées de vie

théoriques comparables

et

proches

des valeurs

expérimentales.

Lorsqu’on

tient compte en

plus

des effets de vibra-

tions p

et y, les résultats sont peu

changés

d’une

manière

générale.

L’amélioration de nos résultats par rapport à ceux de la référence

[ 16]

est due

partiellement

à la nouvelle

paramétrisation

et à la

dépendance

de

l’isospin

du modèle de

Nilsson,

et

plus

fondamentale- ment à la conservation du nombre de

particules, imposée

à nos fonctions d’onde

intrinsèques.

Si

Faessler

[16]

a pu

négliger

l’influence du facteur de recouvrement

M

sur les éléments de matrice de l’interaction de

Coriolis,

du fait

qu’il

est

toujours

voisin

de

l’unité,

il n’en est

plus

de même dans le formalisme SBCS où les facteurs

Qàcs

sont loin d’avoir un éffet

négligeable (cf. Fig.

1 et

2).

Sur les transitions

E2,

DK =

0,

s’effectuant entre états d’une même bande

rotationnelle,

les effets du

pairing,

de l’interaction de Coriolis et les effets vibrationnels sont évidemment nuls.

Pour les transitions

E2,

AK =

2,

l’interaction de Coriolis et les ef’ets des

vibrations j8

et y sont

négli- geables,

leur contribution étant du second ordre seulement. Un calcul exact nous conduit à des résultats voisins de ceux de Lôbner et

Malmskog [18],

pour les quatre transitions

E2,

AK = 2 des noyaux

FIG. 1. - Comparaison entre les variations en fonction de la

déformation 1 et du paramètre de la force d’appariement, des

facteurs de réduction de types électrique et magnétique d’une transitions 1 AK = 1 dans l’europium.

FIG. 2. - Variations en fonction du paramètre de déformation 1

et du paramètre de la force d’appariement, des facteurs de réduc- tion, de types électrique et magnétique pour une transitions 1 AK =1 1

dans le dysprosium.

169,171,173Yb

et

175Hf.

Dans l’ensemble le tableau II montre que les

composantes

collectives sont

plus importantes

que les divers types de corrélations

d’appariements.

2.4.3 Transitions M 1. - Les

probabilités

de tran-

sitions

magnétiques dipolaires

d’une douzaine de noyaux de la

région

des terres rares, calculées avec

et sans

couplage

de

Coriolis,

ont été rassemblées dans le tableau III. Il semble que le bon accord

général

avec

l’expérience

soit

d’avantage

au modèle de

Nilsson utilisé

qu’aux

corrélations

d’appariement

ou

même au

couplage

de Coriolis. Il est manifeste cepen- dant que les effets

spurious

dus à la non-conservation stricte du nombre de

nucléons,

existent dans les transi- tions étudiées

[ 19],

et il nous semble que dans un calcul

précis

il faille en tenir compte. La méthode de

projec-

tion discrète que nous avons

proposée

nous semble

convenir

parfaitement.

Les tableaux IV et V montrent les résultats d’une étude

comparative

des transitions E2 et MI entre les mêmes niveaux des deux

noyaux 18’Os et 189OS

de la

fin de la

région

des terres rares ; ces noyaux ont été étudiés

expérimentalement

par

Malmskog

et collabo-

rateurs

[20].

On remarquera sur ces tableaux les

importances respectives

des effets collectifs et

d’appa-

riement. Si dans certaines transitions telles que par

exemple 7/2 7/2 - (503) ->. 2 i - (512) (cf.

Tableau

IV),

la

projection

sur les états propres de

l’opérateur

nombre de

particules apparaît

essentielle et

indispen-

(9)

n

S

i-

3

v o àÎ

.N

ài=

.

8 .9

V

H e

;:> -.;

§

C .!!

n

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V

-s

iNr

;::

(10)

469

n

u

w

r4à

rlà

N

W

,

M

(11)

sable,

dans l’ensemble

cependant

on peut dire que les

erreurs dues à la fluctuation du nombre de nucléons dans la théorie BCS usuelle sont faibles en ce

qui

concerne les transitions E2 ou M 1.

Conclusion. - Nous avons étudié

l’importance

des

effets non

physiques

dus à la fluctuation du nombre de nucléons dans la théorie

BCS,

sur les

probabilités

de transitions E2 et Ml dans la

région

des terres rares.

La méthode d’extraction des composantes non

phy- siques

de la fonction d’onde

BCS,

s’avère

simple, puissante

et

particulièrement propice

à la programma-

tion. Il a été tenu compte des effets des

vibrations fi

et y

quand

elles sont

présentes

et l’effet de

bloquage

a été

systématiquement

et exactement

pris

en compte.

Les facteurs de réduction BCS dif’èrent en

général

sensiblement des mêmes facteurs calculés avec les fonctions d’onde

projetées. Si,

à

quelques exceptions près,

les demi-durées de vie calculées avec les fonc- tions SBCS ne diffèrent pas d’une

façon appréciable

de celles obtenues par la théorie

BCS,

un calcul

précis

des transitions E2 et Ml devra

cependant

tenir compte des erreurs induites par la non-conservation stricte du nombre de nucléons dans la théorie BCS.

Bibliographie [1] RHO, M. and RASMUSSEN, J. O., Phys. Rev. 135 (1964) B 1295 ;

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